TWI448585B - 電鑄模和製造電鑄模的方法 - Google Patents

電鑄模和製造電鑄模的方法 Download PDF

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TWI448585B
TWI448585B TW099106469A TW99106469A TWI448585B TW I448585 B TWI448585 B TW I448585B TW 099106469 A TW099106469 A TW 099106469A TW 99106469 A TW99106469 A TW 99106469A TW I448585 B TWI448585 B TW I448585B
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Jean-Philippe Thiebaud
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Nivarox Sa
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Description

電鑄模和製造電鑄模的方法
本發明有關一使用電鑄術製造微機械零件之模具及製造該模具之方法。
電鑄術已被使用及已知達一段很長之時間。LIGA型方法(用於該德國名詞“rontgenLlthographie,Galvanoformung & Abformung”之熟知的縮寫)係更新近之方法。它們在於藉由光微影術使用感光性樹脂、且接著藉由電鑄術、在其中增長一金屬沈積、諸如鎳而形成一模具。LIGA技術之精確性係遠比譬如藉由機械加工所獲得之傳統模具的技術較好。此精確性因此允許微機械零件之製造，尤其用於時計機芯，其在此之前未能被預見。
然而，這些方法係不適合用於具有高細長度比率之微機械零件，諸如由含有譬如12%磷之鎳-磷所製成的同軸擒縱輪。此型式零件之電解沈積於電鍍期間因為該被電鍍鎳-磷中之內應力而分成細層，並造成其在與該基板之介面分開。
本發明之一目的係藉由提出另一選擇模具克服所有或部分該等前述之缺點，該模具提供最少相同之製造精確度，且允許具有數個階層及/或高細長度比率之零件的製造。
本發明因此有關一製造模具之方法，該方法包括以下步驟：
a)將一導電層沈積在以矽基材料所製成之晶圓的頂部及底部上；
b)使用一黏著層將該晶圓固定至一基板；
c)由該晶圓之頂部移去該導電層的一部分；
d)在由該頂部導電層移去的部分之形狀中，蝕刻該晶圓深至其底部導電層，以在該模具中形成至少一模穴。
根據本發明之其他有利的特色：
-在步驟d)之後，該方法包括步驟e)：將一部分安裝在該晶圓的頂部上之導電層上，以形成該模具中之第二階層；
-步驟e)係藉由用光微影術建構一感光性樹脂或藉由固定一由預蝕刻、矽基材料所製成之部分所獲得；
-在步驟d)之後，該方法包括步驟f)：於該至少一模穴中安裝一桿棒，以在該部分中形成一軸桿孔洞；
-該黏著層及該底部上之導電層被倒置；
-該黏著層包括感光性樹脂；
-該基板包括矽基材料；
-該方法包括步驟d')：蝕刻該基板深至該底部導電層，以於該模具中形成至少一中空部；
-在步驟d')之後，該方法包括步驟e')：將一部分安裝在該基板的底部上所沈積之導電層上，以在該模具中形成一額外階層；
-在步驟d')之後，該方法包括步驟f')：在該至少一中空部中安裝一桿棒，以在該部分中形成一軸桿孔洞；
-步驟d)包括以下階段g)：藉由光微影術使用一感光性樹脂在該頂部導電層之未被移去部分上建構一保護遮罩，h)：沿著未被該保護遮罩所塗覆之部分施行該晶圓的一非等向性蝕刻，及i)：移去該保護遮罩；
-步驟d)包括階段h')：使用該頂部導電層當作一遮罩施行該晶圓的一非等向性蝕刻，以蝕刻由該導電層移去的部分中之晶圓；
-數個模具被製成在相同之基板上。
本發明亦有關藉由電鑄來製造微機械零件之方法，其特徵為該方法包括以下步驟：
j)根據該等前述變型之一的方法製造模具；
k)藉由連接該電極至由矽基材料所製成之晶圓的底部上之導電層施行電沈積，以在該模具中形成該零件；
i)由該模具釋放該零件。
最後，本發明有利地有關一用於藉由電鑄來製造微機械零件之模具，其特徵為該模具包括一基板；一由矽基材料所製成之部分，其被安裝在該基板上，且包括至少一暴露該基板的導電表面之模穴，而允許一電解沈積在該至少一模穴中增長。
根據本發明之其他有利的特色：
-該模具具有第二部分，該第二部分被安裝在該第一部分上，且包括暴露一導電表面之至少一壁凹及在該第一部分之至少一模穴，用以在已充填該至少一模穴之後於該至少一壁凹中持續該電解沈積；
-該基板係由矽基材料所形成，且包括暴露該基板之導電表面的至少一中空部，而允許一電解沈積在該至少一中空部中增長；
-該模具包括一額外部分，該額外部分被安裝在該基板上，且包括暴露一導電表面之至少一壁凹及該基板中之至少一中空部，用於在已充填該至少一中空部之後持續該至少一壁凹中之電解沈積。
如圖8顯示，本發明有關藉由電鑄製造微機械零件41、41'之方法1。方法1較佳地係包括一製造模具39、39'之方法3，隨後有電鑄步驟5及由該模具釋放零件41、41'之步驟7。
模具製造方法3包括用於製造模具39、39'的一系列步驟，該模具包括由矽基材料所製成之至少一零件21。於方法3之第一步驟9中，由矽基材料所製成之晶圓21係以導電層塗覆在其頂部及底部上，分別參考為20及22，如圖1中所說明。導電層20、22可包括譬如金或銅。
於第二步驟11中，亦可為矽基之基板23係以一黏著性材料層24塗覆在其頂部上，如圖2所說明。此材料可譬如為非活性感光性樹脂或大致上更是為一可輕易地移除之感光性樹脂。於該第三步驟13中，黏著層24被用於至少暫時地固定晶圓21，並塗覆以基板23，如圖3所說明。
根據本發明之另一選擇，該黏著層24及底部導電層22被倒置，如下面所說明。
於第四步驟15中，晶圓21的頂部上之導電層20的一部分26被移去，以暴露晶圓21的一部分，如圖3所示。於第五步驟17中，晶圓21被蝕刻，直至該底部導電層22被暴露。根據本發明，蝕刻步驟17較佳地是在與部分26相同之圖案中作成，該部分26係於步驟15中由導電層20移去。
蝕刻步驟17較佳地係包括該深反應式離子蝕刻(DRIE)型式之非等向性乾燥式攻擊。
根據步驟17之第一變型，晶圓21的頂部上之導電層20的材料被選擇，以用作一保護遮罩。因此，當遮罩20-晶圓21之組件係遭受該非等向性蝕刻時，僅只該晶圓之未被保護部分26被蝕刻。在步驟17之末端，至少一模穴25係因此在晶圓21中獲得，其底部局部地暴露底部導電層22，如圖4所示。
根據步驟17之第二變型，首先，一保護遮罩係譬如經由光微影方法使用感光性樹脂塗覆在晶圓21上，較佳地是以與被移去部分26相同之形狀。其次，當該遮罩-晶圓組件係遭受該非等向性蝕刻時，僅只該晶圓之未被保護部分被蝕刻。最後，於第三階段中，該保護遮罩被移去。在步驟17之末端，至少一模穴25係因此在晶圓21中獲得，其底部局部地暴露該底部導電層22，如圖4所示。
於圖8中之三重直線中所說明的上述另一選擇之案例中，其中黏著層24及底部導電層22被倒置，其於步驟18中係不再需要使該模穴25延續進入黏著層24，以暴露該底部導電層22。較佳地是，於此另一選擇中所使用之材料接著為一感光性樹脂，其被曝光至輻射，以便延續模穴25。
在步驟17之後，本發明提供二具體實施例。於第一具體實施例中，在圖8中之單一直線中所說明，於步驟17之後，模具製造方法3被完成，且微機械零件製造方法1馬上以電鑄步驟5及由該模具釋放該部分之步驟7延續。電鑄步驟5係藉由連接該沈積電極至晶圓21之底部導電層22所達成，以便首先於該模具之模穴25中增長一電解沈積，且接著於步驟7中，在模穴25中所形成之部分係由該模具釋放。
依據此第一具體實施例，其充分清楚的是所獲得之微機械零件具有單一階層，該單一階層之形狀係遍及其整個厚度完全相同的。
根據本發明之第二具體實施例，於圖8中之兩直線中所說明，步驟17係隨後有步驟19，用於在模具39中形成至少一個第二階層。因此，該第二階層係藉由將一部分27安裝在該頂部導電層20的一部分上所達成，該部分未於步驟15中被移去。
譬如經由光微影方法使用感光性樹脂，部分27較佳地係在比該被移去部分26較大的區段之壁凹28中形成於導電層20上。
再者，如圖5所示，於步驟19中，桿棒29較佳地係被安裝至在該電鑄期間馬上形成用於微機械零件41之軸桿孔洞42。這不只具有意指一旦該電鑄已完成，零件41不需要被機械加工之優點，而且意指任何形狀之內部區段能在孔洞42之整個高度上方被形成，不論是否為均勻的。桿棒29較佳地是在步驟19中與部分27同時獲得，譬如經由光微影方法使用感光性樹脂。
於該第二具體實施例中，模具39製造方法3在步驟19之後終止，且該微機械零件裝配製造方法1以電鑄步驟5及由該模具釋放該部分之步驟7延續。
電鑄步驟5係藉由連接該沈積電極至晶圓21的底部上之導電層22所達成，以便首先於該模具之模穴25中增長一電解沈積，且接著專門地於第二階段中，於壁凹28中，如圖6所說明。
更確切地是，有利地根據本發明，當該電解沈積係與模穴25之頂部齊平時，其電連接導電層20，而能夠使該沈積在該整個壁凹28上方持續增長。有利地是，本發明允許具有高細長度比率之部分的製造，亦即其中模穴25之剖面係遠小於壁凹28之剖面，避免剝離問題，甚至具有包含譬如12%磷之鎳-磷材料。
由於在導電層20之下的矽之使用，在該等介面之剝離現象減少，其避免藉由該電沈積材料中之內應力所造成的分離。
根據該第二具體實施例，製造方法1以步驟7終止，其中在模穴25中與接著於壁凹28中形成之該零件41係由模具39釋放。釋放步驟7能譬如藉由剝離層24或藉由蝕刻基板23及晶圓21所達成。依據此第二具體實施例，其清楚的是如圖7所示，所獲得之微機械零件41具有二階層43、45，每一階層具有不同的形狀及完全獨立之厚度。
此微機械零件41能譬如為一具有微米等級之幾何精確度的同軸擒縱輪、或擒縱輪43-小齒輪45組件，但亦理想定位、亦即該等階層間之完美定位。
根據藉由圖1至5及8至13中之雙虛線所說明的方法1之第二變型，其係可能將至少一個第三階層加至模具39。該第二變型直至步驟17、18或19保持與上述方法1完全相同，視所使用之另一選擇或變型而定。於圖9至13中所說明之範例中，吾人將採取該第二具體實施例當作該起點，如圖8中之雙直線中所示。
較佳地是，依據此第二變型，基板23係由矽基材料所形成，且被蝕刻以於模具39'中形成一中空部35。
如能被看見者，較佳地是於圖5及圖9之間，沈積33已在該第一模穴25的一部分中施行，以提供一僅只比層22更厚之導電層，用於機械式地耐得住方法1之第二變型的諸步驟之目的。較佳地是，此沈積33係藉由開始步驟5所施行，直至一預定厚度。然而，此沈積能按照不同方法被施行。
如圖8中之雙虛線中所示，方法1之第二變型應用方法3之末端的步驟17、18及/或19至基板23。因此，於該新的步驟17中，基板23被蝕刻直至導電層22係暴露。蝕刻步驟17較佳地是包括深反應式離子蝕刻(DRIE)。
較佳地是，首先，如圖9所示，保護遮罩30係塗覆在包括刺穿部分36之基板23上，譬如經由光微影方法使用感光性樹脂。其次，該遮罩30-基板23組件係遭受該非等向性蝕刻，使得僅只該基板之未被保護部分被蝕刻。
第三，保護遮罩30被移去。至少一中空部35係因此在基板23中獲得，其底部局部地暴露黏著層24，如圖10所示。最後，第四，中空部35係延伸進入層24，且亦可能進入層22。用於黏著層24之材料較佳地係感光性樹脂，其被曝光至輻射，以延續中空部35。在步驟17之末端，至少一中空部35係因此在基板23中獲得，其底部局部地暴露導電層22或可能暴露沈積33。
當然，以一與上面所說明類似之方式，導電層亦可被沈積在基板23，代替光化建構樹脂遮罩30，其材料被選擇，以致其能用作保護遮罩。
同樣地，於該上述另一選擇之案例中，其中黏著層24及底部導電層22被倒置，其係不再需要延續該中空部35進入黏著層24，以暴露導電層22或可能暴露沈積33。
在方法1之第二變型的步驟17之後，本發明亦可提供該二上述具體實施例，亦即持續以電鑄步驟5及釋放步驟7或持續以一步驟19，以在基板23上形成至少一額外之階層。為簡化該等圖面，圖11至13係由該第一具體實施例實現。
較佳地是，任何一具體實施例被選擇，如圖11所示，桿棒37被安裝，以在該電鑄期間馬上形成用於微機械零件41'之孔洞42'。較佳地是，如果桿棒29及37係分別形成在模穴25及中空部35中，它們被對齊。較佳地是，桿棒37係譬如經由光微影方法使用感光性樹脂獲得。
在該等新的步驟17或19之後，電鑄步驟5係藉由連接該沈積電極至導電層22所施行，以於中空部35中增長電解沈積，而且亦持續模穴25中之沈積33的增長，且接著專門地於第二階段中，於壁凹28中，如圖12所說明。製造方法1以步驟7終止，其中零件41'係由模具39'釋放，如上面所說明。
依據此第二變型，其清楚的是如圖13所示，所獲得之微機械零件41'具有至少三階層43'、45'及47'，該三階層之每一個具有不同的形狀及完全獨立之厚度，且設有單一軸桿孔洞42'。
此微機械零件41'能譬如為一具有其小齒輪47'之同軸擒縱輪43'、45'，或一具有三階層43'、45'、47'齒部之齒輪組，具有微米等級之幾何精確度，但亦理想定位、亦即該等階層間之完美定位。
當然，本發明不被限制於所說明之範例，但係對各種修改及變型開放的，該等修改及變型對於那些熟諳此技藝者將為清楚。特別地是，部分27能包括一預蝕刻矽基材料，且接著被固定至導電層20。
再者，數個模具39、39'係由相同之基板23製成，以達成不須彼此完全相同的微機械零件41、41'之系列製造。
同樣地，桿棒29能夠被形成在模穴25中，以形成一用於該未來零件41之軸桿孔洞42，甚至在該第一、單一階層具體實施例之範圍內。吾人亦能設想將矽基材料改變為結晶狀氧化鋁或結晶狀氧化矽或碳化矽。
最後，在步驟9中形成且接著於步驟15中被局部刺穿之層20亦可經由單一、選擇性、沈積步驟15獲得。在沈積導電層20之前，此步驟15接著可在於首先以與區段26相同之形狀沈積一犧牲層。其次，導電層20被沈積在該組件之頂部上。最後，於第三階段中，該犧牲層被移去，且順便一提，該導電層部分沈積在其上面，且提供與圖3中可看見者相同之層20。此步驟15係已知為“剝離”。
20‧‧‧導電層
21‧‧‧晶圓
22‧‧‧導電層
23‧‧‧基板
24‧‧‧黏著層
25‧‧‧模穴
26‧‧‧部分
27‧‧‧部分
28‧‧‧壁凹
29‧‧‧桿棒
30‧‧‧保護遮罩
33‧‧‧沈積
35‧‧‧中空部
36‧‧‧部分
37‧‧‧桿棒
39‧‧‧模具
39'‧‧‧模具
41．．．微機械零件
41’．．．微機械零件
42．．．軸桿孔洞
42’．．．孔洞
43．．．階層
43’．．．階層
45．．．階層
45’．．．階層
47’．．．階層
其他特色及優點將參考所附圖面由以下之敘述更清楚地顯現，以下之敘述經由非限制之說明所給與，其中：-圖1至7係按照本發明製造微機械零件之方法的連 續步驟之概要圖；-圖8係按照本發明製造微機械零件之方法的流程圖；-圖9至13係按照本發明製造微機械零件之方法的最後連續步驟之概要圖。
20．．．導電層
21．．．晶圓
22．．．導電層
23．．．基板
24．．．黏著層
27．．．部分
41．．．微機械零件

Claims (19)

  1. 一種製造模具(39、39')之方法(3)，包括以下步驟：a)將一導電層沈積(9)在以矽基材料所製成之晶圓(21)的頂部(20)及底部(22)上；b)使用一黏著層將該晶圓固定(13)至一基板(23)；c)由該晶圓(21)之頂部移去(15)該導電層的一部分(26)；d)蝕刻(17)該晶圓深至在其底部上之導電層(22)且呈由該晶圓頂部上之導電層(22)移去的該部分之形狀(26)，以在該模具中形成至少一模穴(25)。
  2. 如申請專利範圍第1項製造模具(39、39')之方法(3)，其中在步驟d)之後，該方法包括以下步驟：e)將一部分(27)安裝(19)在該晶圓的頂部上之導電層(20)上，以形成該模具中之第二階層。
  3. 如申請專利範圍第2項製造模具(39、39')之方法(3)，其中該步驟e)係藉由用光微影術建構一感光性樹脂所獲得。
  4. 如申請專利範圍第2項製造模具(39、39')之方法(3)，其中該步驟e)係藉由固定一由預蝕刻、矽基材料所製成之部分(27)所獲得。
  5. 如申請專利範圍第1項製造模具(39、39')之方法(3)，其中在步驟d)之後，該方法包括以下步驟： f)藉由光微影術於該至少一模穴(25)中形成一桿棒(29)，以在該部分中形成一軸桿孔洞(42)。
  6. 如申請專利範圍第1項製造模具(39、39')之方法(3)，其中該黏著層(24)及該底部導電層(22)被倒置。
  7. 如申請專利範圍第1項製造模具(39、39')之方法(3)，其中該黏著層(24)包括感光性樹脂。
  8. 如申請專利範圍第1項製造模具(39、39')之方法(3)，其中該基板(23)包括矽基材料。
  9. 如申請專利範圍第8項製造模具(39、39')之方法(3)，其中該方法包括以下步驟：d')蝕刻(17)該基板(23)深至該底部導電層(22)，以於該模具(39')中形成至少一中空部(35)。
  10. 如申請專利範圍第9項製造模具(39、39')之方法(3)，其中在步驟d')之後，該方法包括以下步驟：e')將一部分安裝在該基板(23)的底部上所沈積之導電層上，以在該模具(39')中形成一額外階層。
  11. 如申請專利範圍第9項製造模具(39、39')之方法(3)，其中在步驟d')之後，該方法包括以下步驟：f')在該至少一中空部(35)中形成一桿棒(37)，以在該零件(41')中形成一軸桿孔洞(42')。
  12. 如申請專利範圍第1項製造模具(39、39')之方法(3)，其中於該步驟d)中包括以下階段：g)藉由光微影術使用一感光性樹脂在該頂部導電層 之未被移去部分上建構一保護遮罩；h)在未被該保護遮罩所塗覆之部分上施行該晶圓的一非等向性蝕刻；i)移去該保護遮罩。
  13. 如申請專利範圍第1項製造模具(39、39')之方法(3)，其中該步驟d)包括以下階段：h')使用該頂部導電層當作一遮罩施行該晶圓的一非等向性蝕刻，以蝕刻由該導電層移去的部分中之晶圓。
  14. 如申請專利範圍第1項製造模具(39、39')之方法(3)，其中數個模具(39、39')係由相同之基板(23)所製造。
  15. 一種藉由電鑄來製造微機械零件(41、41')之方法，其特徵為該方法包括以下步驟：j)根據申請專利範圍第1項之方法(3)製造一模具(39、39')；k)藉由連接電極至由矽基材料所製成之晶圓(21)的底部上之導電層(22)施行(5)一電沈積，以在該模具中形成該零件；i)由該模具釋放(7)該零件(41、41')。
  16. 一種用於藉由電鑄來製造微機械零件(41、41')之模具(39、39')，其特徵為該模具包括一基板(23)；一由矽基材料所製成之部分(21)，其被安裝在該基板上；且包括暴露該基板的導電表面(22)之至少一模穴(25)，而能夠使一電解沈積在該至少一模穴中增長。
  17. 如申請專利範圍第16項用於藉由電鑄來製造微機械零件(41、41')之模具(39、39')，其中該模具包括第二部分(27)，該第二部分被安裝在該第一部分(21)上，且包括暴露一電絕緣表面(20)之至少一壁凹(28)及在該第一部分中之至少一模穴(25)，用以在已充填該至少一模穴之後於該至少一壁凹中持續該電解沈積。
  18. 如申請專利範圍第16或17項用於藉由電鑄來製造微機械零件(41、41')之模具(39')，其中該基板(23)係由矽基材料所形成，且具有暴露該基板之導電表面(22)的至少一中空部(35)，而能夠使一電解沈積在該至少一中空部中增長。
  19. 如申請專利範圍第18項用於藉由電鑄來製造微機械零件(41、41')之模具(39')，其中該模具包括一額外部分，該額外部分被安裝在該基板(23)上，且包括暴露一導電表面之至少一壁凹及該基板中之至少一中空部(35)，用於在已充填該至少一中空部之後持續該至少一壁凹中之電解沈積。
TW099106469A 2009-03-13 2010-03-05 電鑄模和製造電鑄模的方法 TWI448585B (zh)

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EP09155123.4A EP2230206B1 (fr) 2009-03-13 2009-03-13 Moule pour galvanoplastie et son procédé de fabrication

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